一種測量發散角的教學實驗教具的製作方法

2023-05-17 13:41:51

專利名稱：一種測量發散角的教學實驗教具的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光學教學實驗裝置，具體為一種測量發散角的教學實驗教具。
背景技術：
光束髮散角是光束的重要參數，教學實驗中需要直觀的顯示，加深學生的印象，提 高教學效果。現有多種光束髮散角的測量方法。發明專利01108756. 0 「雷射光束髮散角測試方法」採用CCD相機接收雷射器的 光束在標準鏡頭的後焦面處形成的聚焦光斑的信號，獲得光斑光強分布信號，計算出雷射 器發出的雷射光束的遠場發散角2 θ。此方法適合測量小口徑、小發散角、以及非徑向對稱 的雷射光束。發明專利200310123408. X 「雷射器發散角測量儀和測量方法」採用旋轉微調架驅 動雷射器旋轉掃描，固定的光纖頭接收雷射器光束光斑的光強並將接收的光強導入光功率 計，從而獲得光斑光強分布信號，進而計算出雷射器發出的雷射光束的遠場發散角2 θ。此 方法適合測量不同口徑、不同發散角、以及非徑向對稱的雷射光束。現有的光束髮散角測量方法自動化程度高、精度高，但結構複雜、成本高、不直觀， 不適於做幾何光學實驗教具。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種測量發散角的教學實驗教具，該教具具有結構簡 單、成本低和直觀的特點。本實用新型提供的一種測量發散角的教學實驗教具，其特徵在於該教學實驗教 具包括發光源器件、第一底板、發光源器件放置器、第一軸向距離標尺、第二軸向距離標尺、 縱向標尺和等厚薄板對；X向是指發光源器件發光的設計軸線的方向，Y向是指垂直軸向的方向，第一軸向 距離標尺、第二軸向距離標尺均沿X向放置，第一軸向距離標尺、第二軸向距離標尺相互平 行且標尺起點相同，第一軸向距離標尺、第二軸向距離標尺均與第一底板平行且固連；發光 源器件放置器與第一軸向距離標尺、第二軸向距離標尺垂直且固連，並位於第一底板的一 端；發光源器件放置器上設有深度不同的V型槽，V型槽的兩面平行於X向，發光源器 件放置於所述V型槽中，等厚薄板對墊在發光源器件下；縱向標尺沿Y向活動放置於第一底 板上。應用本實用新型可測不同光源的發散角，包括雷射束的發散角，是一種良好的幾 何光學教學實驗裝置。對大發散角，將活動的縱向標尺置於不同軸向距離處，可測得距離和 光斑的直徑，進而計算出光束的發散角；對小發散角，用光行程倍增器獲得大光行程距離， 從而測得計算出距離和測得光斑直徑，進而計算出光束的發散角。在光行程倍增器的設計中運用摺疊光路，通過兩面定距離的平行反射鏡來倍增光行程，並通過光入射兩面平行反 射鏡的入射角的調整來改變倍增光行程的倍數，擴展了小發散角的測量範圍。此裝置使實 驗操作方便，結果可靠。採用的實驗原理直觀清晰，有利於學生對基本幾何光學概念的理解 和掌握。總之，本實用新型具有結構簡單、大小可控制和成本低的特點。

圖1為本實用新型的一種較佳實施方式的結構示意圖；圖2是光行程倍增器的示意圖；圖3是光行程倍增器的帶孔活動標尺的示意圖。
具體實施方式
下面結合圖1、圖2、圖3為本實用新型作進一步詳細的說明。如圖1所示，定義發光源器件發光的設計軸線的軸向距離(即第一底板2長度) 方向為X向、同時第一底板2的底面平行X向，第一底板2寬度方向(即垂直軸向的方向) 為Y向。本實用新型提供的教學實驗教具包括發光源器件1、第一底板2、發光源器件放置 器3、第一軸向距離標尺4、第二軸向距離標尺5、縱向標尺7和等厚薄板對8。第一、第二軸向距離標尺4和5均沿X向放置，相互平行且標尺起點相同，第一、第 二軸向距離標尺4、5均與第一底板2平行且固連；發光源器件放置器3與第一、第二軸向距 離標尺4、5垂直且固連，並位於第一底板2的一端。發光源器件放置器3上有深度不同的V型槽，V型槽的兩面平行於X向，發光源器 件1放置於發光源器件放置器3上的V型槽中，就保證了發光源器件1的發光軸線平行於X 向；發光源器件1有數個種類，如手電筒、LED和LD等。等厚薄板對8有不同的厚度，由於 發光源器件1的直徑不同，用不同厚度的等厚薄板對8墊在發光源器件1下，以保證不同直 徑的發光源器件1的光軸到第一底板2的底面的距離。縱向標尺7沿Y向活動放置於第一底板2上，利用第一、第二軸向距離標尺4、5控 制其定位精度和垂直X向。上述結構的教學實驗教具可以用於測量大角度的發散角，當增設光行程倍增器6 時，就還可以用於測量小角度的發散角。光行程倍增器6活動安裝在第一底板2上並位於第一、第二軸向距離標尺4、5之 間，而且與X向之間的夾角α等於設定的角度。如圖2所示，光行程倍增器6由第二底板9、第一、第二反射鏡10和11、帶孔活動 標尺12組成，第一、第二反射鏡10和11是一對平行的長條形反射鏡，距離為d，第一反射鏡 10的背板上用螺釘安裝有帶孔活動標尺12，在第二反射鏡11上設置有反射起點標誌13， 第一、第二反射鏡10和11均與第二底板9垂直固連，並均與第二底板9的第一軸向邊C垂 直，C邊是指與帶孔活動標尺12相鄰的邊。圖3是帶孔活動標尺12的結構示意圖。帶孔活動標尺12由園孔14、標尺15和安 裝長條孔16組成。LL是帶孔活動標尺12上的園孔14的中心到反射鏡11上反射起點標 志13沿反射鏡方向的距離，利用帶孔活動標尺12上的安裝長條孔16可以調節LL的長度。入射光斑直徑比帶孔活動標尺12上的園孔14小。設Ld為反射鏡11的長度，二個反射鏡的差為LL0，則反射鏡10的長度為Ld+LLO。本實用新型的工作原理髮光源器件1發光照向縱向標尺7。對大發散角，將縱向 標尺7置於不同軸向距離處，可測得距離和光斑的直徑，進而計算出光束的發散角。軸向距 離標尺的長度可設計為1000mm，縱向標尺7可設為600mm，第一底板2的寬度與縱向標尺 7的長度相等。如果縱向標尺7的精度1mm，如圖1所示，測發光源器件1的近測點最小軸 向距離LO >= 50mm，人工估計光斑直徑d0 ；測發光源器件1的遠測點最小軸向距離Ll = 200mm+L0，人工估計光斑直徑dl，則發散角2 θ = arctg[ (dl_dO) / (Ll-LO)]，發散角近似測 量範圍0. 12° 90°。如果發光源發的光束為小發散角的光束，將縱向標尺7置於近測點，軸向距離L0， 人工估計光斑直徑d0 ；然後將光行程倍增器6放入光路，讓光入射光行程倍增器6，其中心 落在光行程倍增器6的園孔14的中心，同時轉動光行程倍增器6使光斑的中心正好與反 射鏡11上反射起點標誌13的Y向坐標相同。從而獲得光束對反射鏡11的入射角α = arctg (LL/d)，如圖2所示。在光行程倍增器6的設計中運用摺疊光路，通過兩面平行反射鏡 來倍增光行程，將縱向標尺7置於光行程倍增器6後面的軸向距離Ll處，人工估計光斑直 徑dl。光行程倍增次數η =卩11)( 仏(1/1^)+2，則總的光行程1^ = Ll+(n-l) Xd/cosa。其 中，FL00R0表示取商的整數部，捨去小數部。從而發散角2 θ ^ (dl-dO)/(L-LO)。取Ld =500mm, LLO = 30mm, d = 800mm。當 LO = 50mm, a = 0. 00375rad (0. 215° ) 0. 05rad 並保證η為奇數時，小發散角的近似測量範圍0. 03mrad 0. 2°。即用光行程倍增器6獲得大光行程距離，從而測得計算出距離和測得光斑直徑， 進而計算出光束的發散角。本實用新型可用木材和鋁合金加工而成；標尺15的精度0. 5mm且長度40mm ；第 一、第二軸向距離標尺4、5的精度Imm且長度IOOOmrn ；縱向標尺7的精度Imm且長度600mm。 底板內淨空長X寬=IOOOmmX 600mm。光行程倍增器6的Ld = 500mm、LLO = 30mm、d = 800mm。
權利要求一種測量發散角的教學實驗教具，其特徵在於該教學實驗教具包括發光源器件(1)、第一底板(2)、發光源器件放置器(3)、第一軸向距離標尺(4)、第二軸向距離標尺(5)、縱向標尺(7)和等厚薄板對(8)；X向是指發光源器件(1)發光的設計軸線的方向，Y向是指垂直軸向的方向，第一軸向距離標尺(4)、第二軸向距離標尺(5)均沿X向放置，第一軸向距離標尺(4)、第二軸向距離標尺(5)相互平行且標尺起點相同，第一軸向距離標尺(4)、第二軸向距離標尺(5)均與第一底板(2)平行且固連；發光源器件放置器(3)與第一軸向距離標尺(4)、第二軸向距離標尺(5)垂直且固連，並位於第一底板(2)的一端；發光源器件放置器(3)上設有深度不同的V型槽，V型槽的兩面平行於X向，發光源器件(1)放置於所述V型槽中，等厚薄板對(8)墊在發光源器件(1)下；縱向標尺(7)沿Y向活動放置於第一底板(2)上。
2.根據權利要求1所述的實驗教具，其特徵在於在第一底板(2)上活動安裝有光行 程倍增器(6)，光行程倍增器(6)位於第一軸向距離標尺(4)和第二軸向距離標尺(5)之 間，而且與X向之間的夾角等於設定的角度；光行程倍增器(6)由第二底板(9)、第一反射鏡(10)、第二反射鏡(11)和帶孔活動標 尺(12)組成，第一反射鏡(10)、第二反射鏡(11)是一對平行的長條形反射鏡，第一反射鏡 (10)的背板上安裝有帶孔活動標尺(12)，第二反射鏡(11)上設置有反射起點標誌(13)，第 一反射鏡(10)、第二反射鏡(11)均與第二底板(9)垂直固連，並與第二底板(9)的第一軸 向邊垂直，第一軸向邊是指與帶孔活動標尺(12)相鄰的邊。專利摘要本實用新型公開了一種測量發散角的教學實驗教具，其結構為兩個軸向距離標尺沿X向放置，二者相互平行且標尺起點相同，軸向距離標尺均與第一底板平行且固連；發光源器件放置器與軸向距離標尺垂直且固連，並位於第一底板的一端；發光源器件放置器上設有深度不同的V型槽，V型槽的兩面平行於X向，發光源器件放置於發光源器件放置器上的V型槽中，等厚薄板對墊在發光源器件下；縱向標尺沿Y向活動放置於第一底板上。對大發散角，可直接測量；對小發散角，用光行程倍增器獲得大光行程距離，從而測得計算出距離和測得光斑直徑，進而計算出光束的發散角。本實用新型具有結構簡單、成本低和直觀特點。
文檔編號G09B23/22GK201725463SQ201020284688
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月9日 優先權日2010年8月9日
發明者張昊盧 申請人:張昊盧